Latihan ujian FE Chemical: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 24 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baru Kembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Neraca massa

Keadaan tunak: masuk = keluar
Neraca total: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Neraca komponen: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Evaporator: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Neraca energi

Kalor sensibel: Q = ṁ·c_p·ΔT
Kalor laten: Q = ṁ·h_fg
Pencampuran: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Air: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Hukum gas ideal

Hukum gas ideal: pV = nRT
Konstanta gas: R = 8,314 J/(mol·K)
Hukum gas gabungan: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Suhu: T[K] = T[°C] + 273,15

Stoikiometri

Mol: n = m/M
Konsentrasi: c = n/V
Perbandingan mol: gunakan koefisien persamaan reaksi yang setara
Pereaksi pembatas: zat yang habis lebih dulu
Rendemen persen: aktual / teoretis × 100%

Metode

Tulis dan setarakan persamaan reaksi kimianya.
Ubah massa yang diberikan ke mol: n = m/M.
Gunakan koefisien sebagai perbandingan mol untuk mencari mol zat yang Anda inginkan.
Ubah kembali ke massa dengan m = n·M. Dengan dua pereaksi, cari pereaksi pembatas dulu.

Kesetimbangan kimia

Tetapan kesetimbangan: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Tabel ICE: Awal, Perubahan (×koefisien), Kesetimbangan
Persamaan kuadrat: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metode

Tulis K_c sebagai produk per pereaksi, masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya.
Susun tabel ICE: Initial (awal), Change (perubahan, dalam kelipatan x kali koefisien), Equilibrium (kesetimbangan).
Masukkan pernyataan kesetimbangan ke dalam K_c dan selesaikan untuk x.
Periksa apakah x cukup kecil untuk pendekatan; jika tidak, selesaikan persamaan kuadratnya.

Kalorimetri & entalpi

Kalor: q = m·c·ΔT
Air: c = 4,18 J/(g·°C)
Kalorimeter: kalor yang dilepas = kalor yang diterima
Entalpi reaksi: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Kinetika reaksi

Orde satu: ln(C_A/C_A0) = −kt
Waktu paruh (orde satu): t_½ = ln 2/k
Orde dua: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Dua suhu: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Waktu ruang: τ = V/Q
CSTR, orde satu: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, orde satu: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Konversi dari volume: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N CSTR identik yang disusun seri: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Penukar panas (LMTD)

Beban kalor: Q = U·A·ΔT_lm
Beda suhu rata-rata logaritmik: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Neraca aliran: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Konduksi panas

Hukum Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Resistansi konduksi: R = L/(kA)
Resistansi konveksi: R = 1/(hA)
Tahanan seri: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Nilai U: U = 1/(ΣR·A)

Gesekan pipa & kehilangan head

Bilangan Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Rezim aliran: laminar di bawah Re ≈ 2000, turbulen di atas Re ≈ 4000
Kecepatan rata-rata: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Kerugian minor: h_m = ΣK·V²/(2g)
Nilai K tipikal: masuk 0,5, keluar 1,0, belokan 90° ≈ 0,3
Penurunan tekanan: Δp = ρ·g·h_f
Dua reservoir terbuka: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Keluaran bebas: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompa & daya pompa

Daya hidrolik: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Daya poros: P_shaft = P_h/η_pump
Daya listrik: P_el = P_shaft/η_motor
Head pompa: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Kerugian sistem: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Soal latihan

1.Neraca massaSedang

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 35% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 400 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 45 %x₃ = 35 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

Evaporator memekatkan larutan NaOH dengan menguapkan air murni. Cari air yang diuapkan W dalam kg/h.

F = 800 kg/hx_F = 8 %x_P = 65 %

W = kg/h

3.Neraca energiSedang

campuran glikol panas mendinginkan air dalam penukar panas aliran berlawanan tanpa kehilangan panas. Cari suhu keluar air t_out.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 100 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Neraca energiSulit

campuran glikol panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 5% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Ct: 30 → 65 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Tangki 10 L berisi 250 g N₂ pada 100 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 250 gM = 28,01 g/molV = 10 LT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas idealSulit

Cari massa jenis ρ O₂ pada 450 kPa dan 110 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 32 g/molP = 450 kPaT = 110 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSedang

6 g C₃H₈ dan 80 g O₂ bereaksi menurut C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Berapa massa m H₂O yang dapat terbentuk?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.StoikiometriSulit

Dalam reaksi N₂ + 3H₂ → 2NH₃, 30 g N₂ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 28,44 g NH₃. Tentukan rendemen persen Y.

M(N₂) = 28,02 g/molM(NH₃) = 17,03 g/molaktual: 28,44 g

Y = %

9.Kesetimbangan kimiaSedang

Sebanyak 0,1 mol/L H₂ dan 0,1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 36. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LK_c = 36

[H₂] = mol/L

10.Kesetimbangan kimiaSulit

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0,1 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,25 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,1

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok timbal bermassa 200 g (c = 0,129 J/(g·°C)) bersuhu 150 °C dijatuhkan ke dalam 200 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 25 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 200 gT_water = 25 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSulit

Gunakan entalpi pembentukan standar untuk menentukan kalor q yang dilepaskan ketika 10 g C₃H₈ (M = 44,1 g/mol) terbakar sempurna: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Nyatakan q sebagai bilangan positif.

ΔH°f(C₃H₈) = −103,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Kinetika reaksiSedang

Reaksi orde dua (−r_A = k·C_A²) dalam reaktor batch memiliki k = 1 L/(mol·min) dan dimulai pada 1,5 mol/L. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 50%? Cari t.

k = 1 L/(mol·min)C_A0 = 1,5 mol/LX = 50 %

t = min

14.Kinetika reaksiSulit

Konstanta laju suatu reaksi adalah 0,01 min⁻¹ pada 20 °C dan 0,0501 min⁻¹ pada 45 °C. Cari energi aktivasi E_a.

k₁ = 0,01 min⁻¹T₁ = 20 °Ck₂ = 0,0501 min⁻¹T₂ = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Reaksi orde satu fase cair A → B (k = 0,15 min⁻¹) berlangsung dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 1000 L. Umpan masuk dengan laju 100 L/menit dengan C_A0 = 1 mol/L. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konsentrasi keluaran C_A.

V = 1000 LQ = 100 L/mink = 0,15 min⁻¹C_A0 = 1 mol/L

C_A = mol/L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,08 min⁻¹) berlangsung dalam dua CSTR identik yang disusun seri, masing-masing 400 L. Laju umpan 5 L/menit, densitasnya konstan, dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi keseluruhan X dalam persen.

V = 400 L (×2)Q = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Penukar panas aliran berlawanan memindahkan 230 kW. Fluida panas mendingin dari 155 ke 45 °C dan fluida dingin memanas dari 30 ke 135 °C. Koefisien perpindahan panas menyeluruhnya 1000 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

Q̇ = 230 kWU = 1000 W/(m²·K)T_h: 155 → 45 °CT_c: 30 → 135 °C

A = m²

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Dalam penukar panas aliran berlawanan, kedua aliran memiliki laju kapasitas panas yang sama, ṁ·c_p = 1,5 kW/K. Aliran panas masuk pada 100 °C dan aliran dingin pada 30 °C. Penukar memiliki A = 5 m² dan U = 200 W/(m²·K). Cari suhu keluar aliran panas T_h,out.

C_h = C_c = 1,5 kW/KT_h,in = 100 °CT_c,in = 30 °CA = 5 m²U = 200 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 150 mm kayu dan 25 mm wol mineral, dengan luas 15 m². Permukaan luarnya bersuhu 15 °C dan -10 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 15 m²T₁ = 15 °CT₃ = -10 °C

Q̇ = W

20.Konduksi panasSulit

Dinding 100 mm polistirena ekspansi dan 50 mm kaca memisahkan ruangan bersuhu 20 °C dari udara luar bersuhu -4 °C. Koefisien konveksinya 7,7 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 10 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -4 °C

T_s = °C

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air mengalir dengan debit 80 L/s melalui pipa sepanjang 100 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,028 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan h_f.

Q = 80 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Dua reservoir terbuka dihubungkan oleh pipa sepanjang 200 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,018. Kerugian minornya adalah lubang masuk bersudut tajam (K = 0,5), 4 belokan (masing-masing K = 0,3), sebuah katup (K = 5), dan lubang keluar ke reservoir bawah (K = 1,0). Gunakan g = 9,81 m/s². Berapa selisih muka air Δz antara kedua reservoir yang menghasilkan debit 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 5K_exit = 1,0

Δz = m

23.Pompa & daya pompaSedang

Dalam sebuah pengujian, pompa mengalirkan 20 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 16 m sementara porosnya menyerap 5,2 kW. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari efisiensi pompa η dalam persen.

Q = 20 L/sH = 16 mP_shaft = 5,2 kWg = 9,81 m/s²

η = %

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 40 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari reservoir bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 16 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 150 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,025; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 5 (termasuk lubang masuk dan keluar). Gunakan g = 9,81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya bertekanan gauge 350 kPa. Cari head H yang harus ditambahkan pompa.

Q = 40 L/sΔz = 16 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 5p_tank = 350 kPa

H = m

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 1200 kg/h

Neraca massa keadaan tunak: masuk = keluar untuk total dan setiap komponen. Soal pencampuran menggabungkan keduanya.

Neraca

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

garam: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 400·(5 − 35)/(35 − 45) = 1200 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 1200 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: W = 701,5 kg/h

Komponen pengikat: komponen yang lewat tanpa berubah di satu aliran saja (di sini zat terlarut) menghubungkan laju alir secara langsung. Lalu neraca total memberi sisanya.

Neraca zat terlarut

F·x_F = P·x_P → P = 800·8/65 = 98,46 kg/h

Neraca total

W = F − P = 800 − 98,46 = 701,5 kg/h

Jawaban

W = 701,5 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 52,97 °C

Neraca energi penukar panas: tanpa kehilangan, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 2·3,6·(140 − 100) = 288 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 288/(3·4,18) = 52,97 °C

Jawaban

t_out = 52,97 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 4,091 kg/s

Neraca energi dengan kehilangan: panas dilepas = panas diserap + panas hilang.

Panas dilepas

Q_h = 2,5·3,6·(130 − 60) = 630 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,05)·630 = 598,5 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 598,5/(4,18·35) = 4,091 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 4,091 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 2769 kPa

Hukum gas ideal: PV = nRT, dengan n = m/M.

Mol

n = m/M = 250/28,01 = 8,925 mol

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 8,925·8,314·373,1/0,01 = 2769 kPa

Jawaban

P = 2769 kPa

6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 4,52 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 110 + 273,15 = 383,1 K

Massa jenis

ρ = 450·32/(8,314·383,1) = 4,52 kg/m³

Jawaban

ρ = 4,52 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 9,807 g

Stoikiometri: persamaan setara menghitung partikel, bukan gram. Ubah massa ke mol dengan n = m/M, gunakan koefisien persamaan sebagai perbandingan mol, lalu ubah kembali dengan m = n·M. Dengan dua pereaksi, pereaksi pembatas adalah yang habis lebih dulu dan menentukan banyaknya produk.

Mol setiap pereaksi

n(C₃H₈) = 6/44,1 = 0,1361 mol

n(O₂) = 80/32 = 2,5 mol

Pereaksi pembatas

0,1361/1 = 0,1361, 2,5/5 = 0,5 → C₃H₈

Massa produk

n(H₂O) = 0,1361·4 = 0,5442 mol

m = 0,5442·18,02 = 9,807 g

Jawaban

m = 9,807 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 77,99 %

Hasil teoretis

n(N₂) = 30/28,02 = 1,071 mol

m = 1,071·2/1·17,03 = 36,47 g

Rendemen persen

Y = 28,44/36,47·100 = 77,99%

Jawaban

Y = 77,99%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H₂] = 0,025 mol/L

Kesetimbangan kimia: untuk aA + bB ⇌ cC + dD, tetapan kesetimbangannya adalah K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), menggunakan konsentrasi pada saat setimbang. Tabel ICE (Awal, Perubahan, Kesetimbangan) menghubungkan jumlah awal dengan jumlah saat setimbang melalui satu variabel x, yang dikalikan dengan koefisiennya.

Rumus kesetimbangan

36 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tarik akar kuadrat

6 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·6/(2 + 6) = 0,075 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,1 − x = 0,025 mol/L

Jawaban

[H₂] = 0,025 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [PCl₅] = 0,1342 mol/L

Rumus kesetimbangan

0,1 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,1·x − 0,025 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,025))/2 = 0,1158 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[PCl₅] = 0,25 − 0,1158 = 0,1342 mol/L

Jawaban

[PCl₅] = 0,1342 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 28,74 °C

Kalor dan entalpi: memanaskan suatu zat memerlukan q = m·c·ΔT. Dalam kalorimeter, kalor yang dilepas benda panas sama dengan kalor yang diterima benda dingin. Perubahan entalpi suatu reaksi diperoleh dari entalpi pembentukan: ΔH° = ΣΔH°f(produk) − ΣΔH°f(reaktan), masing-masing dikalikan koefisiennya.

Neraca kalor

200·0,129·(150 − T_f) = 200·4,18·(T_f − 25)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (25,8·150 + 836·25)/(25,8 + 836) = 28,74 °C

Jawaban

T_f = 28,74 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: q = 503,4 kJ

Entalpi reaksi

ΔH° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Kalor untuk massa yang diberikan

n = 10/44,1 = 0,2268 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,2268·2220 = 503,4 kJ

Jawaban

q = 503,4 kJ

13.Kinetika reaksi

Jawaban: t = 0,6667 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Konsentrasi di akhir

C_A = 1,5·(1 − 0,5) = 0,75 mol/L

Hukum orde dua terintegrasi

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (1,333 − 0,6667)/1 = 0,6667 min

Jawaban

t = 0,6667 min

14.Kinetika reaksi

Jawaban: E_a = 49,98 kJ/mol

Laju reaksi: untuk reaksi orde satu −dC/dt = kC, jadi C = C₀·e^−kt dan waktu paruh ln 2/k tidak bergantung pada konsentrasi. Untuk reaksi orde dua 1/C = 1/C₀ + kt. Konstanta laju naik terhadap suhu menurut Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Suhu mutlak

T₁ = 293,1 K, T₂ = 318,1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·1,611/(-2,681e-4) = 49981 J/mol

E_a = 49,98 kJ/mol

Jawaban

E_a = 49,98 kJ/mol

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: C_A = 0,2231 mol/L

Reaktor ideal, reaksi orde satu (−r_A = k·C_A) pada keadaan tunak, dengan waktu ruang τ = V/Q. CSTR tercampur sempurna, sehingga seluruh volume bereaksi pada konsentrasi keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan C_A = C_A0/(1 + k·τ). Pada PFR setiap irisan fluida bereaksi seperti reaktor batch kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan C_A = C_A0·e^−k·τ. Untuk konversi yang sama, CSTR selalu memerlukan volume lebih besar daripada PFR.

Waktu ruang

τ = V/Q = 1000/100 = 10 min

Konsentrasi keluaran

C_A = 1·e^−0,15·10 = 0,2231 mol/L

Jawaban

C_A = 0,2231 mol/L

Konversi: X = 77,69%.

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 98,17 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 400/5 = 80 min, kτ = 0,08·80 = 6,4

Konversi

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 6,4) = 0,1351

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01826

X = 1 − 0,01826 = 98,17%

Jawaban

X = 98,17%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 13,23 m²

Metode LMTD: selisih suhu antar aliran berubah di sepanjang penukar panas, jadi persamaan laju memakai rata-rata logaritmiknya: Q̇ = U·A·ΔT_lm, dengan ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), di mana ΔT₁ dan ΔT₂ selisih di kedua ujung. Untuk suhu masuk dan keluar yang sama, aliran berlawanan memberi ΔT_lm lebih besar daripada aliran searah.

Selisih suhu di ujung

Pada aliran berlawanan, masukan panas berhadapan dengan keluaran dingin, dan keluaran panas berhadapan dengan masukan dingin.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 155 − 135 = 20 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 45 − 30 = 15 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (20 − 15)/ln(20/15) = 17,38 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 230000/(1000·17,38) = 13,23 m²

Jawaban

A = 13,23 m²

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: T_h,out = 72 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔT_lm, with ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔT_lm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Selisih suhu konstan

Keluaran dingin berhadapan dengan masukan panas: T_c,out = T_c,in + (T_h,in − T_h,out), jadi ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = T_h,out − T_c,in = ΔT₂.

ΔT_lm = T_h,out − T_c,in

Neraca energi sama dengan persamaan laju

1,5·(100 − T_h,out) = 1·(T_h,out − 30)

T_h,out = (1,5·100 + 1·30)/(1,5 + 1) = 72 °C

Jawaban

T_h,out = 72 °C

Panas yang dipindahkan: Q̇ = 42 kW; aliran dingin keluar pada 58 °C.

19.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 248,8 W

Tahanan termal: aliran panas tunak melalui lapisan seri berperilaku seperti arus melalui resistor seri: Q̇ = ΔT/ΣR, dengan R = L/(kA) untuk lapisan konduksi dan R = 1/(hA) untuk permukaan konveksi. Penurunan suhu pada setiap lapisan sebanding dengan tahanannya.

Tahanan lapisan

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(0,17·15) = 0,05882 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,04·15) = 0,04167 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 25/0,1005 = 248,8 W

Jawaban

Q̇ = 248,8 W

20.Konduksi panas

Jawaban: T_s = 18,99 °C

Tahanan seri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·10) = 0,01299 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0,035·10) = 0,2857 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,96·10) = 0,005208 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W

ΣR = 0,3072 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (20 − (-4))/0,3072 = 78,11 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 20 − 78,11·0,01299 = 18,99 °C

Jawaban

T_s = 18,99 °C

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: h_f = 4,627 m

Aliran pipa: bilangan Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membedakan aliran laminar (Re di bawah sekitar 2000) dari aliran turbulen (di atas sekitar 4000). Gesekan sepanjang pipa menyebabkan kehilangan head Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Sambungan, katup, lubang masuk, dan lubang keluar menambah kerugian minor h_m = ΣK·V²/(2g). Di antara dua permukaan reservoir terbuka, persamaan energi memberikan Δz = h_f + h_m, termasuk kerugian keluar K = 1.

Kecepatan rata-rata

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s

Head kecepatan

V²/(2g) = 2,546²/(2·9,81) = 0,3305 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(100/0,2)·2,546²/(2·9,81) = 4,627 m

Jawaban

h_f = 4,627 m

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Δz = 18,63 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,06/0,01767 = 3,395 m/s

V²/(2g) = 0,5876 m

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,018·200/0,15 = 24

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Kehilangan head total

h_f = 24·0,5876 = 14,1 m

h_m = 7,7·0,5876 = 4,524 m

Δz = h_f + h_m = 18,63 m

Jawaban

Δz = 18,63 m

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: η = 60,37 %

Daya pompa: daya yang diberikan kepada air adalah daya hidrolik P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Poros harus menyalurkan lebih banyak karena pompa mengalami rugi: P_shaft = P_h/η_pump, dan motor menarik P_el = P_shaft/η_motor. Head pompa H diperoleh dari persamaan energi: tinggi angkat statis + head tekanan + semua kerugian gesekan dan minor.

Daya hidrolik

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·16 = 3,139 kW

Efisiensi

η = P_h/P_shaft = 3,139/5,2 = 60,37%

Jawaban

η = 60,37%

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 59,51 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s

V²/(2g) = 0,2611 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (25 + 5)·0,2611 = 7,834 m

Head tekanan

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 m

Head pompa

Kedua permukaan praktis diam, sehingga tidak ada suku head kecepatan.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 16 + 35,68 + 7,834 = 59,51 m

Jawaban

H = 59,51 m

Ini adalah materi latihan independen. ExamProblems tidak berafiliasi dengan atau didukung oleh organisasi penyelenggara ujian ini, dan nama ujian hanya digunakan untuk menggambarkan isinya. FE exam diselenggarakan oleh NCEES, yang tidak berafiliasi dengan ExamProblems dan tidak mendukungnya.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical

Latihan ujian FE Chemical: paket kilat

1Rumus dan metode

Neraca massa

Neraca energi

Hukum gas ideal

Stoikiometri

Metode

Kesetimbangan kimia

Metode

Kalorimetri & entalpi

Kinetika reaksi

Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Penukar panas (LMTD)

Konduksi panas

Gesekan pipa & kehilangan head

Pompa & daya pompa

2Soal latihan

3Larutan

Neraca

Selesaikan untuk ṁ2

Jawaban

Neraca zat terlarut

Neraca total

Jawaban

Panas yang dilepas aliran panas

Panas yang diterima air

Jawaban

Panas dilepas

Panas yang sampai ke air

Laju alir air

Jawaban

Mol

Tekanan

Jawaban

Susun ulang hukum gas

Massa jenis

Jawaban

Mol setiap pereaksi

Pereaksi pembatas

Massa produk

Jawaban

Hasil teoretis

Rendemen persen

Jawaban

Rumus kesetimbangan

Tarik akar kuadrat

Konsentrasi saat setimbang

Jawaban

Rumus kesetimbangan

Selesaikan persamaan kuadrat

Konsentrasi saat setimbang

Jawaban

Neraca kalor

Selesaikan untuk suhu akhir

Jawaban

Entalpi reaksi

Kalor untuk massa yang diberikan

Jawaban

Konsentrasi di akhir

Hukum orde dua terintegrasi

Jawaban

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

Jawaban

Waktu ruang

Konsentrasi keluaran

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Luas

Jawaban

Selisih suhu konstan

Neraca energi sama dengan persamaan laju

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Jawaban

Selesaikan untuk ṁ₂